“一鍋法”合成高熒光有機(jī)硅點

熊維偉，吳王聰，鄭芬芬

(江蘇科技大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212100)

近年來，熒光納米材料因其獨特的物理化學(xué)性能倍受科研人員關(guān)注，尤其是以鎘系為代表的量子點已廣泛用于太陽能電池、LEDs、傳感器、藥學(xué)及生物醫(yī)學(xué)成像等研究領(lǐng)域，但其自身的高毒性限制了其應(yīng)用[1-5]．因此，尋求低毒性的可替代量子點已成為研究的重中之重．最近，硅量子點由于其良好的生物相容性和光穩(wěn)定性引起了研究人員的關(guān)注[6]．通常，硅量子點的可控制備大體分為兩種：“自上而下”法和“自下而上”法[7-8]．“自上而下”法是采用大尺寸的硅作為前驅(qū)體，通過對其表面進(jìn)行刻蝕，得到納米級硅熒光材料；“自下而上”法則是采用化學(xué)制備法，將小分子的硅烷作為反應(yīng)前驅(qū)體，通過化學(xué)成核反應(yīng)，得到納米級硅熒光材料．此外，還有一些其他合成方法，如激光降解法、等離子法等[9]．“自上而下”法由于表面多為疏水基團(tuán)(如硅-氫鍵)，導(dǎo)致其在水溶液中分散性較差，且量子產(chǎn)率較低，需要進(jìn)一步改性其表面基團(tuán)．“自下而上”法，由于采用硅烷化試劑，缺少長波熒光發(fā)色基團(tuán)，所以合成的硅量子點通常為短波長熒光(400～500 nm)，雖熒光量子產(chǎn)率較“自上而下”法有了大幅提升，但其量子產(chǎn)率通常也不超過20%．因此，尋求一種新的方法來提升硅量子的熒光量子產(chǎn)率和水分散性能．對于硅量子點在生物醫(yī)學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重要．最近，何耀教授課題組通過檸檬酸鈉與硅烷化試劑“一鍋法”制備了熒光有機(jī)硅點，其熒光量子產(chǎn)率到達(dá)20%～25%左右[8,10-11]．受此啟發(fā)，文中將帶有發(fā)色基團(tuán)的染料與硅烷化試劑“一鍋法”進(jìn)行反應(yīng)，合成了具有高熒光的有機(jī)硅點，其熒光量子產(chǎn)率高達(dá)80%以上，而且制備的有機(jī)硅點在紫外燈照射下具有良好的抗光漂白性能．

1 實驗

1.1 儀器與試劑

冷凍干燥機(jī)(FD-1-50)、暗箱式四用紫外分析儀(ZF-1)、熒光光譜儀(F-7000日立，日本)、紫外吸收光譜 (日立，日本)、X射線粉末衍射儀(XRD-6000x島洋，日本)、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR 650)．

孟加拉玫瑰紅(RB, 阿拉丁試劑公司)、KH-550硅烷偶聯(lián)劑(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)．

1.2 水溶性有機(jī)硅點的合成

利用一鍋水熱合成法制備有機(jī)硅點：稱取100 mg孟加拉玫瑰紅染料，溶解于10 mL的去離子水，再加入4 mL KH-550硅烷偶聯(lián)劑．待充分溶解，將混合物置于高溫耐壓管中密封，轉(zhuǎn)移至磁力攪拌器加熱，溫度設(shè)置在160 ℃，反應(yīng)4 h．在反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后，將生成的有機(jī)硅點溶液收集裝在透析袋(500 Da)中，在去離子水環(huán)境中透析24 h，以除去未反應(yīng)試劑．樣品透析后有少部分沉淀，可用離心機(jī)高速離心(轉(zhuǎn)速9 000 r/min，10 min)去除，保留上清液．將上清液進(jìn)行冷凍干燥，獲得粉紅色固體，并在4 ℃下儲存以供使用．

1.3 光譜測定

將上述透析后的熒光有機(jī)硅點取0.02 mL，加去離子水稀釋50倍待測試，以相同濃度的孟加拉玫瑰紅作為對比試樣．測定其紫外-可見光吸收光譜以及熒光光譜．

1.4 pH對有機(jī)硅點的影響

配置一系列pH值為2、4、6、7、8、10、12的磷酸緩沖溶液(10 mL)，分別取1 mL稀釋后的有機(jī)硅點溶液加入，靜置10 min后，測定其熒光強(qiáng)度．

1.5 有機(jī)硅點的抗光漂白性測試．

分別取孟加拉玫瑰紅溶液和有機(jī)硅點原溶液2 mL，稀釋50倍之后，取1 mL置于玻璃管中．先分別測量出兩種溶液的熒光強(qiáng)度，然后放入暗箱，在302 nm波長紫外光下進(jìn)行輻射，每隔20 min對其進(jìn)行熒光強(qiáng)度檢測，重復(fù)此步驟測量9次熒光強(qiáng)度(180 min)．

2 結(jié)果與討論

2.1 硅量子點的結(jié)構(gòu)和形貌分析

合成制備好的有機(jī)硅點，通過冷凍干燥獲得其粉末樣品，利用XRD粉末衍射來測試其結(jié)構(gòu)，由圖1可知，有機(jī)硅點的XRD衍射峰呈現(xiàn)出無定型結(jié)構(gòu)，在22°左右具有一個比較寬的饅頭峰，表明該有機(jī)硅點具有非常小的粒徑，這點與后面的TEM圖相符合[12]．而玫瑰紅原料的XRD在10°～40°之間呈現(xiàn)出多個峰，這一點與有機(jī)硅點區(qū)別較大．圖2為HRTEM表征的有機(jī)硅點的尺寸和形貌，由圖中可知，有機(jī)硅點的呈現(xiàn)出良好的單分散形態(tài)．其平均粒徑為5 nm．

圖1 有機(jī)硅點和染料的X-射線粉末衍射光譜Fig.1 XRD spectra of organosilica nanodots and bengal rose powder

圖2 有機(jī)硅點的HRTEM高分辨圖Fig.2 HRTEM image of the organosilica nanodots

2.2 熒光與光譜分析

圖3為反應(yīng)前后溶液的數(shù)碼照片，左邊為反應(yīng)后的照片，右邊為反應(yīng)前照片，反應(yīng)前溶液呈粉紅色，反應(yīng)后溶液呈現(xiàn)出橘色，由此可知，反應(yīng)前軀液在高溫下(160 ℃)發(fā)生了反應(yīng)．

圖3 反應(yīng)前后溶液的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.3 Digital photographs of the organosilica nanodots

在紫外燈照射下(圖4)，反應(yīng)后的有機(jī)硅點溶液展示出強(qiáng)烈的熒光，而未反應(yīng)的溶液則幾乎沒有熒光．進(jìn)一步說明生成了所需要的有機(jī)硅點．

圖4 在紫外燈下，有機(jī)硅點反應(yīng)前后的熒光照片F(xiàn)ig.4 Fluorescence photographs of the organosilica nanodots before and after the reaction

圖5為稀釋后的有機(jī)硅點溶液和相同濃度的玫瑰紅染料的紫外吸收光譜，由圖可知，玫瑰紅染料在550 nm左右有一個強(qiáng)的吸收峰，而有機(jī)硅點在525 nm左右具有強(qiáng)的吸收峰，表明生成有機(jī)硅點之后，其紫外吸收峰發(fā)生了藍(lán)移．在468 nm光激發(fā)下，其熒光峰出現(xiàn)在535 nm處(圖5(b))，與紫外吸收相對應(yīng)．相比于有機(jī)硅點強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，染料的熒光強(qiáng)度幾乎可以忽略不計．

圖5 有機(jī)硅點和玫瑰紅染料的紫外可見 光吸收光譜和熒光光譜圖Fig.5 UV-vis absorption and fluorescence spectra of the organosilica nanodots and rose red dye

進(jìn)一步通過紅外光譜對制備的有機(jī)硅點進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征(圖6)．發(fā)現(xiàn)其相比于反應(yīng)前的前驅(qū)體，有機(jī)硅點紅外光譜在33 500 cm-1左右，一些小峰消失了，這主要歸結(jié)于羧基和氨基發(fā)生了縮合反應(yīng)．此外，還通過X射線光電子能譜技術(shù)(XPS)對其成分進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，該有機(jī)硅點含有的元素成分包括C、Si、O、N等(圖7)．

圖6 有機(jī)硅點和玫瑰紅染料的紅外光譜圖Fig.6 FTIR spectra of organosilica nanodots and Rose red dye

圖7 有機(jī)硅點的XPS總圖Fig.7 XPS Spectra of organosilica nanodots

2.3 pH對有機(jī)硅點熒光的影響

通過測定不同pH條件下的有機(jī)硅點的熒光強(qiáng)度，獲得對應(yīng)的熒光譜圖(圖8)．從圖中可以看出，pH=2時，硅量子點的熒光強(qiáng)度大大降低，說明強(qiáng)酸性條件對硅量子點的熒光強(qiáng)度有猝滅作用；而在pH=4至pH=12的范圍內(nèi)(圖9)，有機(jī)硅點的熒光強(qiáng)度變化不明顯，說明在此pH范圍范圍內(nèi)，有機(jī)硅點受酸堿性的干擾很小，可以穩(wěn)定存在．

圖8 不同pH值環(huán)境下的熒光發(fā)射光譜Fig.8 Fluorescence emission spectra at different pH values of the organosilica nanodots

圖9 在不同pH值環(huán)境下的熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度的變化Fig.9 Changes of fluorescence emission spectral intensity under different pH values

2.4 有機(jī)硅點的抗光漂白性

為了了解所合成的有機(jī)硅點的抗光漂白性能，測定了有機(jī)硅點溶液隨輻射時間變化的熒光強(qiáng)度(圖10)，在302 nm光輻射下，間隔20 min測量．由圖10可知，隨著輻照時間增長，有機(jī)硅點溶液在初次經(jīng)過紫外光的照射后，熒光強(qiáng)度略有下降，此后隨輻射時間增長而保持穩(wěn)定狀態(tài)．這說明有機(jī)硅點具有良好的抗光漂白性能．

圖10 有機(jī)硅點溶液隨輻射時間變化的熒光強(qiáng)度Fig.10 Fluorescence emission spectra measured of the organosilica nanodots at intervals of 20 minutes at 302 nm

2.5 有機(jī)硅點的細(xì)胞毒性測試(MTT)

如圖11，將不同濃度的有機(jī)硅點加入HeLa細(xì)胞培養(yǎng)液中培養(yǎng)24、48 h．有機(jī)硅點濃度分別為25、50、100、250、500 ug·mL-1．由圖11可知，有機(jī)硅點具有經(jīng)過24、48 h共孵育培養(yǎng)后仍具有良好活性，隨著有機(jī)硅點濃度的升高，細(xì)胞活性略有下降．這說明由本實驗合成的有機(jī)硅點具有很好的生物相容性．

圖11 HeLa細(xì)胞在不同有機(jī)硅點溶液濃度下 分別孵育24 h和48 h的細(xì)胞活性Fig.11 Cell viability of HeLa cells incubated for 24 hours and 48 hours at different concentrations of the organosilica nanodots solution

2.6 有機(jī)硅點用于HeLa細(xì)胞成像

將有機(jī)硅點用PBS溶液配制成1 000 ug·mL-1的溶液，取1 mL添加到HeLa細(xì)胞培養(yǎng)皿中，孵育2 h，洗滌3次后，放置在熒光共聚焦顯微鏡下進(jìn)行細(xì)胞成像，圖12為有機(jī)硅點用于細(xì)胞成像，從圖中可以看出，該有機(jī)硅點能夠很好地用于細(xì)胞成像．

圖12 HeLa細(xì)胞在不同濃度有機(jī)硅點溶液下分別 孵育24 h和48 h的細(xì)胞成像Fig.12 Fluorescence images of HeLa cells after adding 1 mL(1 mg/mL) organic silicon dots to cell culture medium

3 結(jié)論

文中通過一鍋水熱法合成出具有良好分散性的高熒光、低毒性有機(jī)硅點．

(1) 合成的有機(jī)硅點平均直徑為5 nm，熒光量子產(chǎn)率為80%左右．

(2) 制備的有機(jī)硅點在pH為4～12的范圍內(nèi)具有良好的熒光穩(wěn)定性，同時，所合成的硅量子點具有良好的抗紫外光漂白性能．

(3) MTT實驗表明該有機(jī)硅點具有很好的生物相容性，且能夠很好地應(yīng)用于生物細(xì)胞成像．